автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Обоснование и выбор основных параметров установки зонного нагнетания для формования бетонных и железобетонных изделий

о

Гч.

о?

На правах рукописи

со

ОТ}

» Зубкин Валерий Ерахмиельсвич

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ЗОННОГО НАГНЕТАНИЯ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.02.13. Машины и агрегаты (промышленность строительных материалов и изделий)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете и во Всероссийском федеральном научно-исследовательском и проектно-конструкторском технологическом институте строительной индустрии «ВНИИЖЕЛЕЗОБЕТОН».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Борщевский А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Плавельский Е.П.

кандидат технических наук, профессор Гиберов З.Г.

Ведущая организация: АО «Строммаш»

Л 1007 г и • ^

Защита состоится «(.Т>> Уг.ЬЭ.У.Ж......1997 г. в ...........часов на

заседании диссертационного совета К 053.11.03 в Московском государственном строительном университете, 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26.^ 20-/ Г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ

Автореферат разослан ...... 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного у

совета К 053.11.03, профессор ТотоЛИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Важнейшей технологической операцией в производстве изделий сборного железобетона является формование. Именно способ формования бетонных и железобетонных изделий в значительной мере определяет долговечность получаемых изделий и эффективность работы предприятий.

Как показали исследования, проведённые во ВНИИЖЕЛЕЗОБЕТОНе, ВНИИСтроме, МГСУ, НИИЖБе, НИЛФХММ, ЦМИПКСе, ЦНИИСе, одним из наиболее перспективных методов формования изделий из жестких бетонных смесей является способ роликового (радиального) формования или прессования.

Анализ технологий роликового формования плоских изделии и радиального прессования трубных изделий позволил установить общие закономерности происходящих при формовании процессов и на их основе создать технологию зонного нагнетания, которая является развитием технологии роликового и радиального формования, и в которую эти технологии входят как частный случай.

Основными преимуществами технологии зонного нагнетания являются:

- возможность уплотнения особо жестких смесей, что обеспечивает возможность получения долговечных изделий с предельно уплотненной структурой, сокращения цикла термообработки, металлоемкости производства и т.д.;

- реализация на одной формовочной установке одновременно подачи, распределения, уплотнения бетонной смеси и отделки верхней поверхности формуемого изделия без применения ручного труда, что создаст предпосылки для создания автоматизированных и роботизированных линий;

- возможность контролирования качества уплотнения в ходе выполнения процесса;

- пониженный уровень шума, отсутствие вибраций на месте оператора, простота и надежность формовочного оборудования.

Преимуществом рассматриваемой технологии является также то, что она позволяет формовать практически любые сыпучие и пластичные массы как с армированием, включая дисперсное , так и без него.

Однако широкому внедрению технологии зонного нагнетания препятствовало отсутствие исследований, обобщающих накопленный опыт по роликовому формованию бетонных смесей, сведений об общих закономерностях и физической сущности технологии зонного нагнетания.

общих методов расчета оборудования с учетом взаимодействия уплотняющего органа с уплотняемой средой.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось получение научно обоснованных данных, необходимых для создания новых конструктивных схем установок зонного нагнетания и проектирования их для производства изделий из жестких бетонных смсссй, разработка методики инженерного расчёта основных параметров установки зонного нагнетания и рекомендаций по выбору рациональных режимов формования.

Для достижения поставленной цели работы необходимо решение следующих задач:

- разработка теоретических основ зонного нагнетания;

- выбор и обоснование основных параметров процесса зонного нагнетания;

- разработка методики проведения экспериментальных исследований;

- экспериментальное изучение механизма уплотнения, закономерностей развития зоны уплотнения и характера движения материала в зоне формования;

- исследование взаимодействия рабочего органа с бетонной смесыо в установках зонного нагнетания, определение взаимосвязи нагнетающего усилия с основными параметрами установок и качеством формуемых изделий;

- экспериментальное определение влияния геометрических параметров нагнетающего рабочего органа на качество уплотнения и эффективность работы установок; определение действующих на рабочий орган и форму силы реакции уплотняемой смеси;

- разработка на базе теоретических и экспериментальных исследований новых конструктивных схем установок зонного нагнетания с плоскостными рабочими органами и методики их расчёта.

Научную новизну работы составляют исследования механизма уплотнения бетонной смеси в процессе зонного нагнетания, зависимости для определения расчетным путем производительности установок зонного нагнетания с плитным и решетчатым рабочим органом, закономерности развития зоны уплотнения под нагнетателем, нагрузок, действующих на установку и формы с учетом видов смесей и типа изделий, зависимости для определения степени уплотнения в ходе формования изделий, технологические приемы и параметры формования методом зонного нагнетания, обеспечивающие получение изделий надлежащего качества.

Практическое значение. Разработаны установки зонного нагнетания с решётчатыми и плитными рабочими органами, позволяющие изготавливать

плоские изделия из жестких смесей с армированием, в том числе с дисперсным, и без него, (дорожные, тротуарные плиты, сваи, фундаментные блоки, стеновые камни и кирпичи. Установки зонного нагнетания полностью механизируют формование и автоматизируют контроль качества уплотнения, обеспечивают комфортные условия труда за счет значительного уменьшения шума и исключения вредного влияния вибрации.

Результаты исследований использованы при проектировании и доводке формовочного оборудования для изготовления плит.- и установок для изготовления стеновых камней, бетонных блоков и тротуарной плитки. Начат серийный выпуск установок зонного нагнетания для производства стеновых блоков из бетонных и грунтобетонных смесей.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены на Координационном совещании "Теория и практика формования железобетонных изделий и конструкций" (апрель 1985 г., Москва), на научно-техническом семинаре "Совершенствование технологии и оборудования для формования сборных железобетонных изделий на предприятиях стройиндустрии" (февраль 1986 г., г.Челябинск) и на производственно-техническом семинаре «Новые технологии и оборудование для формования сборных железобетонных изделий» (март 1989 г. г.Челябинск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано тринадцать печатных работ, в том числе восемь авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографии; содержит 184 страницы текста, 79 рисунков, 12 таблиц. Библиография включает 172 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава. В результате обзора и анализа существующих способов формования, оценка которых производится с позиции обеспечения возможности качественного и однородного уплотнения жестких бетонных смесей, точных геометрических размеров и качества поверхности формуемых изделий с одновременным наиболее рациональным решением вопросов дозирования, подачи, распределения и уплотнения бетонной смеси, установлено, что одним из наиболее перспективных и эффективных является способ зонного нагнетания.

Разбор существующих конструкций установок зонного нагнетания для изготовления плоских изделий позволил выявить их недостатки и определить основные направления исследований, необходимых для разработки новых конструкций, лишённых этих недостатков.

На основе анализа ранее выполненных исследований механизма уплотнения сыпучих сред, аналогичных по физико-механическим свойствам жестким бетонным смесям, и основных параметров процесса уплотнения установлено, что аналитические исследования недостаточно верно отражают реальный процесс взаимодействия рабочего органа с уплотняемой смесью, а экспериментальные исследования касаются только роликовых рабочих органов. Такое состояние вопроса определило постановку задач и проведение комплекса исследований, связанных с определением основных параметров установки зонного нагнетания.

Вторая глава. Методика работы включает в себя сформулированные направления аналитических и экспериментальных исследований, описание экспериментального оборудования и характеристик используемых материалов, обоснование выбора измерительной аппаратуры, подбора составов бетонных смесей и обработки результатов исследований.

Экспериментальные исследования качественной картины образования уплотнённой зоны и определения геометрических параметров рабочего органа проводились с применением метода Курдюмова,

модифицированного для случая нагнетания (последовательное фотографирование изучаемой зоны с выдержкой, равной времени нагнетания отдельных порций материала).

Исследования взаимодействия нагнетателя с уплотняемой бетонной смесью и определение влияния основных параметров на эффективность работы установки зонного нагнетания проводились на разработанных и изготовленных стендах зонного нагнетания, позволяющих формовать бетонные и железобетонные изделия в лабораторных (длина и ширина изделия до 320 мм, толщина от 8 до 100 мм) и близких к производственным условиях (длина и ширина изделия до 1000 мм, толщина до 300 мм).

Сопоставлением величин максимального нагнетающего усилия (давления) с текущей координатой положения нагнетателя относительно формы определялись эпюры нагнетающего усилия на нагнетательной поверхности, распределения давления на элементы формы (дно и борта), распределения напряжений по высоте формуемого слоя.

Расчёт коэффициента заполнения пространства под нагнетателем К производился по формуле

= —Ц—(1)

п

где Н - нагнетательный ход, Л, - хода нагнетателя, па котором усилие возрастает, \\ - хода нагнетателя, на котором усилие стабилизировано.

Количество нагнетаемой смеси тг определялась как

где К - коэффициент уплотнения бетонной смеси, К = —, р и р -

Рп

плотность бетонной смеси соответственно в уплотнённом и насыпном состоянии, 5, - площадь элементов нагнетательной поверхности (плиты или зубьев нагнетательной гребенки), А,. - хода нагнетателя, на котором усилие

уменьшается до нуля.

Часть опытов - определение давлений на элементы формы - были проведены но методу полного факторного планирования эксперимента. В результате чего были получены уравнения регрессии, позволяющие установить функциональную взаимосвязь между геометрическими и технологическими параметрами процесса зонного нагнетания.

Третья глава. В основу модели зонного нагнетания бетонной смеси при формовании изделий положен открытый Н.Е.Королёвым эффект образования локальной плотной текучей зоны, названный "гекучим клином".

Основное свойство упомянутой зоны состоит в сохранении своих геометрических размеров и приобретённой плотности смеси в ней, несмотря на непрекращающееся вдавливание в зону новых порций смсси. При этом вновь вдавливаемые порции вытесняют из зоны такой же объём смеси, какой занимают сами, что приводит к постоянному обновлению или, иначе, к течению смсси в ней.

С учётом постоянства геометрических размеров образуемой локальной плотной зоны и соответственно её объёма Уи это свойство может быть представлено уравнением баланса потоков бетонной смеси, направленных в зону и из неё следующего вида

Л У0

=0, (3)

где р - плотность бетонной смеси, р=~~ и с!р = - —: ЛГ(г) и М (г) -

соответственно нагнетаемое и вытесняемое количество бетонной смеси в локальную зону за время Л.

Условие j-Q соответствует моменту образования локальной плотной

текучей зоны, в которой плотность бетонной смеси достигнув предельных величин остаётся постоянной, то есть р - const.

Образующуюся под вдавливающей поверхностью локальную плотную зону можно рассматривать как открытую систему, включающую в себя большое количество элементов - частиц, связи между которыми имеют вероятностный характер. Такая система находится в стационарном неравновесном состоянии, при котором накачка частиц извне компенсирует диссипацию энергии внутри системы. Стационарность неравновесного состояния системы устанавливается при достижении в уплотняемой среде некой критической плотности которая является предельной для каждого

" конкретного случая и зависит от условий проведения процесса (характеристики материала, сопротивления на внешней границе зоны).

Условие стабилизации параметров образующейся системы при достижении стационарного неравновесного состояния обуславливает возможность практического применения описанного выше эффекта для формования изделий.

Образование в заданном объёме, заполненном сыпучей средой, локальной плотной зоны, примыкающей к поверхности раздела, ссть не что иное как процесс нагнетания, то есть процесс, в котором нагнетаемый материал предварительно сжимается до плотности, выше той, в которой находится сыпучая среда в заданном объёме, а затем подаётся в этот объём, и так продолжается до создания необходимой или предельной плотности.

Процесс нагнетания сыпучих материалов имеет ярко выраженный зонный характер, поэтому получил название зонного нагнетания.

Формование изделий зонным нагнетанием осуществляют перемещением инициируемой плотной локальной зоны вдоль формуемого изделия, заполняя заданную форму материалом плотностью, равной плотности материала в локальной зоне.

Устройства для формования бетонных и железобетонных изделий зонным нагнетанием являются нагнетающими устройствами. За основную характеристику таких устройств принимается производительность Q, которая определяется как

Q = V,n„, (4)

где Г = VjK^'K,, V - объём уплотнённой бетонной смеси, нагнетаемой за один ход нагнетателя, VT - теоретически возможный объём рыхлой бетонной смеси, который можно подать под нагнетатель, А',. - коэффициент

уплотнения бетонной смеси (Л'^1,5-1,6), К1 - коэффициент заполнения нагнетающего пространства, «„ - частота ходов нагнетателя.

В ходе исследования поведения материала при зонном нагнетании установлено, что движение частиц материала в образуемой уплотнённой зоне происходит кооперативно, самосогласованно, в результате чего, кооперативное движение частиц можно рассматривать как течение дисперсной сыпучей среды, подобно процессу ламинарного течения потока жидкости. При этом такое движение происходит без разрыва плотности и сплошности.

На основе этого жесткую бетонную смесь в процессе зонного нагнетания можно рассматривать как сплошную среду. При этом, так как процесс зонного нагнетания протекает при скоростях деформации бетонной смеси, при которых не проявляется вязкость цементного теста, а сдвиговые деформации в бетонной смеси много больше величины упругих деформаций, что позволяет пренебречь последними при исследовании, за механическую модель бетонной смеси принимается жесткопластическая модель.

Функция, описывающая реологические свойства принятой модели определяется уравнением Кулона-Мора: т= ап-1%(р+С, где т - касательное напряжение по площадкам сдвига в материале,сг„ - нормальное напряжение, tgф - коэффициент внутреннего трения в материале, С - условный коэффициент сцепления материала.

При формовании зонным нагнетанием уплотнение бетонной смеси происходит за счёт увеличения массы бетонной смеси в установленном объёме формы путём вдавливания в неё дополнительного количества смеси. В свою очередь уплотнение бетонной смеси связано с деформациями её частиц и их взаимным перемещением. Величина смещения частиц смеси и сопротивление этому смещению зависят как от трения по их поверхностям, так и ог величины контактных давлений, которые определяются степенью свободы перемещения находящихся с ней в контакте частиц. А это зависит как от объёма свободного пространства в смеси или пористости, так и от кинематических условий на границе формуемого изделия.

Кинематические условия на границе локальной плотной зоны, как открытой системы, обеспечивают свободное смещение частиц материала без увеличения контактных давлений и без потери контакта между частицами, что обуславливает достижение при минимальных усилиях, соответствующих прочности формуемого слоя бетонной смеси, наилучшей упаковки частиц смеси.

Наличие в бетонной смеси частиц, не обладающих пластическими свойствам]! в обычных условиях нагружения (щебень, песок), обуславливает

приобретение ею свойств плотного тела по мере нарастания плотности в локальной зоне. Функция пластичности при этом начинает отвечать условию предельного напряженного состояния, когда сдвиговые напряжения уплотнённой бетонной смеси перестают зависеть от величины напряжении сжатия на поверхностях скольжения, то есть —— = 0. Л это

показывает, что при достижении этого состояния пластические деформации не вызывают изменения объёма. Иными словами, бетонная смесь приобретает максимально возможную плотность, увеличить которую без разрушения частиц заполнителя, составляющих бетонную смесь, практически невозможно.

Таким образом, завершение формирования плотной локальной зоны соответствует наступлению в бетонной смеси предельного напряжённого состояния, а это в свою очередь приводит к тому, что функция пластичности |г| - /(<7„) становиться постоянной величиной, Поэтому для расчёта максимальной величины нагнетающего усилия, соответствующего образованию локальной плотной зоны, возможно применить теорию предельного равновесия сыпучих сред В.В.Соколовского.

На основе упрощённого метода для инженерных расчётов получены аналитические выражения для определения нагнетающего усилия

ь г Л . „2 »(г ь

где

Р„ = С-Н-Л\/~,/1,/2)+Н2-уВ^/,^,/и/21 , (5)

1-/.-К

Ч ) = к ' 2(1- /

К =

г тд+к +1

tgм}-A^tgs)

2(1 -■ Л')[ 1?м(\-/2-185)

(ци +

\-f-tgfi

/ = 1%(р - коэффициент внутреннего трения бетонной смеси, /,-коэффициент трения бетонной смеси о дно формы, / - коэффициент трения бетонной смеси по нагнетательной поверхности, Ь -ширина нагнетательной поверхности, Я - толщина формуемого изделия, ц = п/4-ф/2, ЫН - /до.

Коэффициенты и являются функциями

коэффициентов: внутреннего трения бетонной смеси, трения бетонной смсси о дно формы, трения бетонной смеси по нагнетательной поверхности, и

отношения величин ширины нагнетательной поверхности к толщине формуемого слоя.

Коэффициент трения по нагнетательной поверхности бетонной смеси является величиной, существенно влияющей на величину нагнетающего усилия.

Снижение трения на нагнетательной поверхности уменьшает энергетические затраты на проведение процесса нагнетания и может быть достигнуто либо путём использования материала с низким коэффициентом трения по бетонной смеси для изготовления нагнетательной поверхности, либо путём придания нагнетательной поверхности движения, перпендикулярного её нагнетающему движению. Предложенная схема нагнетателя в виде шарнирного параллелограмма позволяет одновременно с вертикальным движением нагнетателя осуществлять перпендикулярное ему поперечное движение нагнетательной поверхности.

Для этого случая действительный коэффициент Г и видимый коэффициент (эффективный) трения скольжения Г* связаны следующим соотношением

где ф - угол отклонения рычага нагнетателя от горизонтальной оси. Получена зависимость для определения мощности привода нагнетателя установки зонного нагнетания

где со - угловая скорость кривошипа, рад/с, г - эксцентриситет кривошипа, м, т - длина рычага, м.

Четвертая глава. В процессе моделирования зонного нагнетания в условиях, близких к условиям плоской задачи, выявлены закономерности развития зоны уплотнения и характера движения нагнетаемого материала, выраженные в том, что рост плотной локальной зоны начинается от поверхности, соприкасающейся с нагнетателем, и распространяется в глубь формуемого слоя. Причём ранее вдавленный материал располагается дальше от поверхности взаимодействия, чем последующий. При этом образующаяся плотная локальная зона сохраняет свою геометрическую форму и размеры независимо от количества вдавленного в форму материала,

(6)

г

\

+ 0,7/;-г со,

(7)

а геометрические размеры зоны взаимосвязаны с шириной нагнетательной поверхности. В жестких бетонных смесях глубина развития зоны уплотнения при изменении В/Ц меняется незначительно. Наличие дна вблизи зоны нагнетания не влияет на форму и размеры зоны, если слой больше или равен размеру зоны в глубину.

Полное развитие плотной локальной зоны сопровождается выпиранием избыточного количества материала в открытую сторону формы. Материал, вытесненный из плотной локальной зоны, разуплотняется.

Движение часгиц нагнетаемого материала происходит самосогласовано но линиям тока подобно ламинарному течению жидкости. Образующиеся слои из материала нагнетаемых порций не перемешиваются между собой.

Экспериментально подтверждены выводы более ранних исследований Королева Н.Е. относительно самообразования уплотнённой зоны (эффект "текучего клина").

Выявлены закономерности изменения величины нагнетающего усилия в ходе нагнетательного движения и в процессе формования изделия, выраженные в том, что при нагнетательном движении можно выделить три характерных стадии изменения нагнетающего усилия, которое и процессе формования достигает максимального значения, определенного условиями вытеснения бетонной смеси из-под нагнетателя, и сохраняет это значение при условии сохранения характера выдавливания. Величина нагнетательного хода не влияет на величину нагнетающего усилия.

Величина К,, вычисленная по полученным экспериментальным данным, лежит в пределах 0,5-0,8. При этом определяющим фактором, влияющим на величину А',, являются условия подачи бетонной смеси в зону формования.

При прочих равных условиях коэффициент заполнения А.', зависит от фактора Ь-со, где <а - угловая скорость кривошипа привода нагнетателя в рад/с.

Нагнетающее усилие распределено по нагнетательной поверхности неравномерно, при этом по её ширине эпюра распределения имеет форму близкую к треугольной. Полученные в ходе эксперимента величины нагнетающего усилия аппроксимируются выражением

Р1=а+Р-Ь, , . (8)

где Ь, - расстояние от переднего торца нагнетателя до текущей координаты, а, (5 - численные коэффициенты, среднее значение которых для основной части нагнетательной поверхности составляют а=0,056, (5=2,103, а для края а=0,017, р=0,625.

Для нагнетателя в виде гребёнки максимальное усилие, преодолеваемое нагнетателем при вдавливании бетонной смеси в уплотнённую зону с учётом распределения нагнетающего усилия на поверхности нагнетателя определяется выражением

Рн =(а-Ь + 0,5/}-Ь2)-с-{п1г,-\) + {а'-Ь + 0,5/3'-Ь2)-с , [МН] (9)

где с - ширина зуба гребёнки нагнетателя, м, Ь - длина зубьев нагнетателя, м, /г,,й - количество зубьев нагнетателя.

Давление па дно и борта формы распределяются неравномерно. Область дна, примыкающая к боковому борту, воспринимает 0,3-0,46 от общей нагрузки на дно формы.

Экспериментально установлено, что работа нагнетания может быть вычислена согласно выражению

Л„ = о,5-^-А-А:„ №] (Ю)

Для нагнетателя в виде гребёнки работа нагнетания с учётом (8) может быть определена согласно выражению

Ан =0,5[(ог-й + 0,5Д-Аг)-с-(й„„ - 1) + (а'■ 6 + 0,5/?'•//)-с]-Л-Л',, [МДж] (1 1)

Экспериментально показано, что в процессе зонного нагнетания часпгцы бетонной смеси двигаются послойно с разными скоростями, вследствие чего происходит переупаковка частиц бетонной смеси и они образуют плотную сгруктуру с наибольшей площадью контакта между собой.

Как показали исследования, бетоны, отформованные на установках зонного нагнетания приобретают высокую степень уплотнения, средняя степень уплотнения по изделию составляет 0,98.

Путём сопоставления распределения плотности и степени уплотнения бетона с зафиксированными величинами нагнетающего усилия и коэффициентом заполнения, характеризующего количесгво материала, нагнетаемого в изделие на протяжение всего процесса формования можно заключить следующее:

степень уплотнения бетона не зависит от величины нагнетающего усилия при условии, что при нагнетании полностью образуется локальная уплотнённая зона, то есть заключительная часть нагнетающего хода происходит при установившейся величине нагнетающего усилия, причём для различных составов бетонной смеси максимальная величина нагнетаквдего усилия устанавливается автоматически как реакция от взаимодействия нагнетателя с бетонной смесью;

качество уплотнения бетона в первую очередь зависит от достаточного количества бетонной смеси, подаваемой под нагнетательную поверхность;

характер вытеснения бетонной смеси из-под нагнетателя влияет на . качество уплотнения, при соблюдении условий вытеснения бетонной смеси вверх в открытую сторону формы rio всей ширине формуемого изделия достигается однородная степень уплотнения бетона по всему объему изделия;

гарантированное качество уплотнения бетона обеспечивается только в пределах объема локальной уплотнённой зоны, что совпадает с теорией механизма уплотнения бетонной смеси в процессе зонного нагнетания.

Пятая глава. В условиях промышленного производства проведен эксперимент по формованию дорожных плит ПАГ-14 самоходными установками зонного нагнетания.

Шестая глава. Разработаны рекомендации для выбора конструктивных решений подачи форм под нагнетатель и подачи бетонной смсси в зону нагнетания при проектировании установок зонного нагнетания.

Установлено, что в качестве регулирующего параметра управления установками зонного нагнетания целесообразно принять скорость перемещения формы относительно нагнетателя. При этом критерием управления является отношение скорости передвижения формы относительно нагнетателя к скорости выдавливания бетонной смеси из-под нагнетателя в открытую сторону формы, которое должно поддерживаться на протяжении всего процесса формования изделия на уровне v/ip/vmJ < 1 .

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчёта установок зонного нагнетания с плитным и решётчатым нагнетателем.

Предложен новый метод формования бетонных и железобетонных изделий и ряд конструкций установок зонного нагнетания для формования бетонных изделий, в том числе грунтоблоков, различной производительности, на которые получены авторские свидетельства и патенты. Разработанные конструкции установок зонного нагнетания в экспериментальных и опытных образцах опробованы в промышленных условиях производства бетонных и железобетонных изделий. На основе проведённых работ в АО "ПО ДОЛИНА" освоен серийный выпуск установок для формования грунтоблоков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Зонное нагнетание является одним из наиболее прогрессивных и перспективных методов изготовления бетонных и железобетонных изделий.

Однако установки зонного нагнетания, оснащённые роликовыми нагнетателями имеют недостаточную надежность, ограниченную производительность, не обеспечивают качественное уплотнение бетонной смеси при формовании изделий толщиной свыше 250 мм. Применение в качестве нагнетательных поверхностей плит и решёток устраняет эти недостатки, а предложенные конструкции нагнетателей в виде рычажно-шарнирных механизмов позволяют создать высокоэффективные формующие устройства, наиболее полно реализующие достоинства технологии зонного нагнетания.

2. Принята и обоснована модель зонного нагнетания, в которой образуемая под нагнетателем локальная плотная зона рассматривается как открытая диссипативная система в стационарном неравновесном состоянии, при этом установлено, что процесс зонного нагнетания реализует наиболее рациональные условия пластического течения бетонной смеси при минимальных усилиях, соответствующих прочности формуемого слоя бетонной смеси, при котором достигается предельное уплотнение в теле формуемого изделия и бетонная смесь приобретает свойства плотного тела при пластических деформациях не изменять своего объёма.

3. Поставлена и решена задача об определении общих взаимосвязей параметров в системе "нагнетатель - жесткая бетонная смесь - форма" в процессе зонного нагнетания, получены аналитические выражения для определения нагнетающего усилия (5) и для определения мощности привода нагнетателя (7). При этом установлено:

а) нагнетающее усилие определяется реакцией бетонной смеси на нагнетательной поверхности при их взаимодействии, причём рост величины отношения ширины нагнетающей поверхности к толщине формуемого слоя и увеличение значений коэффициента внутреннего трения и удельного сцепления бетонной смеси, а также коэффициента трения бетонной смеси по дну формы приводит к росту нагнетающего усилия;

б) уменьшение коэффициента трения на нагнетательной поверхности снижает величину нагнетающего усилия, причём в предложенной конструкции нагнетателя это достигается за счёт реализации нагнетающего движения с нормальной и тангенциальной составляющими, ориентируемыми в поперечном направлении выдавливанию бетонной смеси из-под нагнетателя, при этом величину эффективного коэффициента трения бетонной смеси по нагнетательной поверхности можно определить по формуле (6).

4. Созданы стенды для изучения качественной картины образования уплотненной зоны, определения геометрических параметров нагнетателя и

для проверки теоретических исследований. Проведенные на них в соответствии с разработанной методикой экспериментальные исследования показали качественную и количественную сходимость с теоретическими результатами и позволили выявить закономерности:

а) развития зоны уплотнения и характера движения нагнетаемого материала, выраженные в том, что рост плотной локальной зоны начинается от поверхности, соприкасающейся с нагнетателем, и распространяется в глубь формуемого слоя, при этом ранее вдавленный материал располагается дальше от поверхности взаимодействия, чем последующие, и полное развитие зоны уплотнения сопровождается выпиранием избыточного количества материала в открытую сторону формы, причём вытесненный из плотной локальной зоны материал разуплотняется. При этом образующаяся плотная зона сохраняет свою геометрическую форму и размеры независимо от количества вдавленного в форму материала, а геометрические размеры зоны взаимосвязаны с шириной нагнетательной поверхности, причём в жестких бетонных смесях глубина развития зоны уплотнения при изменении В/Ц меняется несущественно. Движение частиц нагнетаемого материала происходит самосогласованно но линиям тока подобно ламинарному течению жидкости, а образующиеся слои из материала нагнетаемых порций не перемешиваются между собой;

б) изменения величины нагнетающего усилия в ходе нагнетающего движения и в процессе формования изделия, выраженные в том, что при нагнетательном движении можно выделить три характерные стадии изменения нагнетающего усилия, которое в процессе формования достигает максимального значения, обусловленного условиями вытеснения бетонной смеси из-под нагнетателя, и сохраняет это значение при условии сохранения характера выдавливания, при этом величина нагнетательного хода не влияет на величину нагнетающего усилия, а максимальное значение нагнетающего усилия устанавливается автоматически как реакция от взаимодействия нагнетателя с бетонной смесью.

в) зависимости качества уплотнения бетонной смеси от условия её нагнетания, выраженные в том, что при соблюдении условий вытеснения бетонной смеси вверх по всей ширине формуемого изделия достигается однородная степень уплотнения бетона но всему объёму изделия, причём степень уплотнения в этом случае не зависит от величины нагнетающего усилия.

5. Определён характер распределения нагнетающего усилия на нагнетательной поверхности и распределения давления па дно и борта формы. Максимальное давление на дно формы развивается около бокового

борта, к которому направлено нагнетательное движение, при этом с ростом толщины формуемого слоя при неизменной ширине нагнетателя отношение средних величин давления около борта к давлению по дну формы увеличивается, при этом область дна, примыкающая к боковому борту воспринимает 0,30-0,46 от общей нагрузки в целом на дно.

6. Подтверждены выводы более ранних исследований Н.Е.Королёва относительно самообразования уплотнённой зоны (эффект "текучего клина").

7. Разработана инженерная методика расчёта установки зонного нагнетания с плитными и решётчатыми нагнетателями и рекомендации для выбора конструктивных решений подачи бетонной смсси в зону нагнетания и передвижения форм, проверка которых при проектировании установок зонного нагнетания для формования бетонных и железобетонных изделий, в частности груптоблоков, показала хорошее совпадение полученных результатов с экспериментальными данными.

8. Предложены новый способ формования бетонных и железобетонных изделий и ряд конструкций установок зонного нагнетания для формования бетонных изделий, в том числе грунтоблоков, различной производительности, которые опробованы в промышленном производстве. Оригинальность и новизна заложенных в них решений подтверждены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ. На основе результатов и рекомендаций работы в АО "ПО ДОЛИНА" освоен серийный выпуск установок КСМ-3 для формования груптоблоков.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дмитриев А.И., Королёв Н.Е., Зубкин В.Е., Макарова Л.II. Технология зонного нагнетания при формовании железобетонных изделий. -В сб. науч. трудов: Совершенствование заводской технологии конструкций из спецжелезобетона. - М.: ВНИИЖелезобетон, 1985. - с. 189 - 193.

2. Королёв Н.Е., Зубкин В.Е. О механизме безвибрационного уплотнения. /В сб. науч. трудов: Механизация и автоматизация технологических процессов в промышленности сборного железобетона. - М.: ВНИИЖелезобетон, 1984.

3. Королёв Н.Е., Зубкин В.Е., Дмитриев А.И. Формование виноградниковых стоек. /В сб. науч. трудов: Совершенствование заводской

технологии в производстве конструкций из спецжслезобегона. - М.: ВНИИЖелезобетон, 1985. - с. 204 - 208.

4. Королёв Н.Е., Зубкин В.Е. Технология погони за двумя зайцами.// Наука и жизнь,- 1993, № 7 - с. 13-15.

5. Королёв Н.Е., Зубкин В.Е. Не укатывать, а нагнетать./ Строительные и дорожные машины, 1997, № 3, с.38-39.

6. Авторское свидетельство № 1318413 СССР, МКИ В 28 В 13/02. Устройство для формования бетонных смесей./ Королёв Н.Е., Зубкин В.Е., Дмитриев А.И., Макарова Л.И., Шмаков В.С./СССР// Б.И. - 1987, № 23.

7. Авторское свидетельство № 1327364 СССР, МКИ В 22 С 15/02. Способ уплотнения формовочной смеси в литейных формах./ Королёв Н.Е., Сова В.И., Заленский В.И., Филиппов H.A., Дмитриев А.И., Дунаев В.А., Зубкин В.Е., Лышенко А.Г., Серов И.Н., Беликов П.Я./СССР/ДСП - 1987.

8. Авторское свидетельство № 1421539 СССР, МКИ В28 В 13/02. Устройство для формования изделий из пластичных и сыпучих материалов./Толорая Д.Ф., Королев U.E., Дмитриев А.И., Винарский Ю.П., Зубкин В.Е., Серов И.Н./СССР//Б.И. - 1988, № 33.

9. Авторское свидетельство № 1756161 СССР, МКИ В 28 В 13/02. Установка для формования груптоблоков./ Королёв Н.Е., Черный Л.И.. Зубкин В.Е., Полевой А.Г., Шмаков B.C., Сальников В.Л./СССР// Б И -1992, №31.

10. Патент РФ № 2032891 МКИ G 01 N 1/00, В 22 F 3/02. Способ получения высокоплотных структур вещества при высоких давлениях./ Королёв Н.Е., Зубкин В.Е./ РФ/ Б.И. - 1995, № 10.

11. Патент РФ № 2065357, МКИ В 28 В 1/04, 13/02. Способ формования изделий из сыпучих дисперсных материалов (варианты)./ Королев Н.Е., Зубкин В.Е. / РФ/ Б.И. - 1996, № 23.

12. Решение о выдаче патента № 93048918 "Устройство для механической обработки"./Королёв Н.Е., Зубкин В.Е., Балагуров Л.И./

13. Решение о выдаче патента № 94-044497 "Способ изготовления литейных форм и устройство для его реализации"./Королёв Н.Е., Зубкин

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.92 г.

Подписано в печать \Ц. 05, с] У Формат 60x84'/16 Печ. офсетная

И- Ь$ Объем I пл. Т. Е0 Заказ

Московский государдтвенный строительный университет Типография МГСУ, 129337, Москра, Ярославское ш.,26